第6章函數與巨集

第6章函數與巨集 • 6-1 由上而下的設計方法 • 6-2 建立函數 • 6-3 函數的參數呼叫方式 • 6-4 變數的有效範圍 • 6-5 遞迴函數 • 6-6 C語言的巨集 • 6-7 C語言的標準函式庫

6-1 由上而下的設計方法-基礎1 • 模組化主要是針對解決問題的方法，把一件大型的工作切割成無數的小工作，切割的工作屬於一種結構化分析的範疇，我們最常使用的是「由上而下的設計方法」（Top-down Design），其主要是使用程序為單位來切割工作，也就是所謂的「程序式程式設計」（Procedural Design）。

6-1 由上而下的設計方法-基礎2 • 由上而下的設計方法是在面對問題時，先考慮將整個解決問題的方法分解成數個大「模組」（Modules），然後針對每一個大模組，一一分割成數個小模組，如此一直細分，最後等這些細分小問題的小模組完成後，再將它們組合起來，如此一層層的向上爬，完成整個軟體系統或應用程式的設計。

6-1 由上而下的設計方法-注意事項 • 獨立性：每一個分割模組間的關聯性愈少，處理起來就會愈快。所謂獨立性，是指當處理某一個子問題時，無需考慮到其它子問題。換一句話說，獨立性是要將每一個問題都定義成一件簡單且明確的問題。 • 結合問題：小心的控制子問題間的結合方法，而且要注意結合這些子問題的邏輯順序，避免語焉不詳的結果。 • 子問題間的溝通：雖然獨立性可以減少各問題間的關聯性，但是並無法避免掉全部的溝通。

6-1 由上而下的設計方法-實例 • 例如：目前有一個工作是繪出房屋的圖形，如下圖所示：

6-1 由上而下的設計方法-第一步 • 從房屋繪圖工作可以粗分為三個小工作，如下所示： • 繪出屋頂和外框。 • 繪出窗戶。 • 繪出門。

6-1 由上而下的設計方法-第二步 • 接著將第一個小工作【繪出屋頂和外框】（Draw Outline）再次進行分割成二個小工作，如下所示： • 繪出屋頂。 • 繪出房屋的外框。

6-1 由上而下的設計方法-繼續步驟 • 只需重複上述分析，持續一步一步的向下分割工作，例如：因為窗戶共有2個，所以【繪出窗戶】可以分為【繪出窗戶1】和【繪出窗戶2】，而【繪出門】可以分為【繪出門框】和【繪出門把】。 • 最後，在將問題分割成一個個小問題後，每一個小問題就是一個C語言的函數，只需完成這些函數即可解決整個繪出房屋的問題。

6-2 建立函數 • 6-2-1 函數是一個黑盒子 • 6-2-2 建立C語言的函數 • 6-2-3 函數的原型宣告 • 6-2-4 函數的參數 • 6-2-5 函數的傳回值

6-2 建立函數 • C語言的模組單位是「函數」（Functions），函數是一個獨立的程式單元，使用函數可以將大工作分割成一個個小型的工作，也可以重複使用以前已經建立的函數或直接呼叫C語言標準函式庫的函數。

6-2-1 函數是一個黑盒子-說明 • 在C語言的程式敘述執行函數稱為「函數呼叫」（Functions Call），事實上，程式設計者並不需要了解函數內部實際的程式碼，也不想知道其細節，函數如同一個「黑盒子」（Black Box），只要告訴程式設計者如何使用這個黑盒子的「使用介面」（Interface）即可。

6-2-1 函數是一個黑盒子-圖例 • 圖例可以看出呼叫函數只需知道需要傳入的參數，然後從函數取得什麼傳回值，這就是函數和外部溝通的使用介面，實際函數內容的程式碼是隱藏在使用介面後，函數實際內容的程式碼撰寫稱為「實作」（Implementations）。

6-2-1 函數是一個黑盒子-規則 • 函數的使用介面需要直接、良好定義和容易了解。 • 在使用函數時，並不需要知道任何有關內部實作的問題，唯一需要知道的是如何使用它的使用介面。 • 在實作程序時，並不用考量或知道到底是誰需要使用此函數，只需滿足使用介面定義的輸入參數和傳回值即可。

6-2-1 函數是一個黑盒子-語法與語意 • 函數的「語法」（Syntactic）是說明函數需要傳入何種資料型態的「參數」（Parameters）和傳回值。 • 「語意」（Semantic）是指出函數可以作什麼事？ • 撰寫函數時，需要了解函數的語法規則，而呼叫函數時需要了解其語意規則，如此才可以正確的呼叫函數。

6-2-2 建立C語言的函數-語法 • C語言的函數是由函數名稱和程式區塊所組成，其語法格式如下所示：傳回值型態函數名稱( 參數列 ) { 程式敘述; …… return 傳回值; } • 傳回值型態是函數傳回值的資料型態，函數名稱如同變數命名方式由設計者自行命名，函數使用return關鍵字傳回函數值。

6-2-2 建立C語言的函數-範例 • 一個沒有參數列和傳回值的函數，如下所示： void writeString() { printf("歡迎使用C/C++!\n"); } • 在括號內定義傳入的參數列，不過這個函數並沒有任何參數，所以空白，也可以使用void，如下所示： void writeString(void) { }

6-2-2 建立C語言的函數-呼叫 • 在C語言的程式碼呼叫函數需要使用函數名稱，其語法格式如下所示：函數名稱( 參數列 ); • 因為前述函數writeString()沒有傳回值和參數列，所以呼叫函數只需使用函數名稱，如下所示： writeString();

6-2-2 建立C語言的函數-呼叫過程

6-2-3 函數的原型宣告-語法 • ANSI-C語言的函數分為「宣告」（Declaration）和「定義」（Definition）兩個部分，範例Ch6-2-2.c的函數程式區塊是實際的函數定義，程式並沒有宣告函數，這是因為呼叫函數的程式碼位在定義之後，所以並不需要先行宣告。 • 如果呼叫函數的程式碼是在函數定義之前，就需要在程式開頭宣告函數的原型，其語法格式如下所示：傳回值型態函數名稱( 參數列 );

6-2-3 函數的原型宣告-實例 • 函數原型宣告是程式碼，在最後需加上「;」分號，如下所示： void writeString(void); void one2Five(); • 程式碼是writeString()和one2Five()函數的原型宣告，因為沒有參數，可以使用空白或void表示沒有參數。 • 擁有參數的函數原型宣告，如下所示： void printTriangle(char, int); void one2N(int);

6-2-4 函數的參數-說明 • 函數的參數列是一個資訊傳遞的機制，可以從外面將資訊送入函數的黑盒子，參數列是函數的使用介面。函數如果擁有參數列，在呼叫時，因為傳入不同的參數值，就可以產生不同的執行結果。

6-2-4 函數的參數-範例 • 一個擁有參數列的函數範例，如下所示： void printTriangle(char ch, int rows) { /* 變數宣告 */ int i, j; /* 巢狀迴圈列印三角形 */ for ( i = 1; i <= rows; i++ ) { for ( j = 1; j <= i; j++ ) printf("%c", ch); printf("\n"); } }

6-2-4 函數的參數-正式參數 • printTriangle()函數定義的參數稱為「正式參數」（Formal Parameters）或「假的參數」（Dummy Parameters）。 • 正式參數是識別字，其角色如同變數，需要指定資料型態，並且可以在函數的程式碼區塊中使用，如果參數不只一個請使用「,」符號分隔。

6-2-4 函數的參數-呼叫參數的函數與實際參數 • 函數擁有參數列，在呼叫時需要加上參數列（或稱為引數），如下所示： printTriangle('*', rows); • 上述呼叫函數的參數稱為「實際參數」（Actual Parameters），參數可以是常數值，例如：'*'、變數或運算式，例如：rows，其運算結果的值需要和正式參數定義的資料型態相同（編譯程式會強迫型態轉換成相同的型態），函數的每一個正式參數都需要對應一個同型態的實際參數。

6-2-5 函數的傳回值-語法 • C語言函數的傳回值型態不是void，而是指定的資料型態int或char等，就表示這個函數擁有傳回值。 • 因為函數在執行完程式區塊後，需要傳回值，傳回指令的語法格式如下所示： return 運算式;

6-2-5 函數的傳回值-範例 • 擁有傳回值的函數範例，如下所示： int n2N(int start, int end) { /* 變數宣告 */ int i; int total = 0; /* 迴圈敘述 */ for ( i = start; i <= end; i++ ) total += i; return total; }

6-2-5 函數的傳回值-呼叫 • 函數擁有傳回值，在呼叫時可以使用指定敘述取得傳回值，如下所示： total = n2N(start, end); • 程式碼的變數total可以取得函數的傳回值，變數total的資料型態與函數傳回值型態是相同的。

6-3 函數的參數呼叫方式 • 6-3-1 傳值的參數呼叫 • 6-3-2 傳址的參數呼叫

6-3 函數的參數呼叫方式

6-3-1 傳值的參數呼叫 • C語言傳值的參數呼叫只是將複製的參數值傳到函數，所以在函數存取參數值並不是原來傳入的變數，當然也就不會更改呼叫的變數值。 void swap(int x, int y) { int temp; temp = x; x = y; y = temp; }

6-3-2 傳址的參數呼叫 • C語言的傳址呼叫就是傳遞指標變數，指標變數是一個指向其它變數位址的變數，它是一個位址值，在參數的變數名稱前只需使用「*」號標示是指標變數，傳遞進函數的是參數的變數位址，而不是變數值，如下所示： void swap(int *x, int *y) { int temp; temp = *x; *x = *y; *y = temp; }

6-4 變數的有效範圍 • 6-4-1 區域與全域變數 • 6-4-2 靜態變數 • 6-4-3 暫存器變數

6-4 變數的有效範圍 • C語言名稱的「有效範圍」（Scope）是指該名稱（通常是指變數）在程式中可以存取的的程式碼區域。 • 例如：在函數中宣告的變數或參數都只可以在函數的程式區塊中存取，不同函數的同名變數是毫不相干的不同變數。

6-4-1 區域與全域變數 • C語言的變數範圍將影響變數值的存取，C語言的變數範圍，如下所示： • 區塊範圍（Block Variable Scope）：在程式區塊宣告的變數，變數只能在區塊內使用，在區塊之外的程式碼並不能存取此變數。 • 區域變數範圍（Local Variable Scope）：在函數內宣告的變數或參數，變數只能在宣告的程式區塊使用，在函數外的程式碼並無法存取此變數。 • 全域變數範圍（Global Variable Scope)：如果是在函數外宣告的變數，在整個程式檔案都可以存取此變數，如果全域變數沒有指定初值，其預設值是0。

6-4-2 靜態變數 • 如果在函數的程式區塊宣告靜態變數，不同於其它區域變數，在離開函數時會消失，靜態變數會配置固定的儲存位置，在重複呼叫函數時，靜態變數值都會保留。 • 在函數將區域變數宣告成靜態變數，只需在變數前加上static關鍵字，如下所示： static int step = 0;

6-4-3 暫存器變數-說明 • C語言的暫存器變數是針對那些存取十分頻繁的變數，可以直接將變數置於CPU的暫存器，以便加速程式的執行，通常是使用在迴圈的計數器變數。只需在宣告變數前加上register關鍵字，就可以宣告暫存器變數，如下所示： register int i;

6-4-3 暫存器變數-限制 • 暫存器變數在使用上有一些限制，如下所示： • 暫存器變數只可以使用在區域變數或函數的參數。 • 暫存器變數允許使用的個數需視CPU的電腦硬體而定，而且只有少數變數可以宣告成暫存器變數。 • 編譯程式對於暫存器變數並不一定處理，不過就算我們將變數宣告成register也無所謂，編譯程式會自行決定是否處理。 • 暫存器變數並不能使用「&」取址運算子取得變數的位址。

6-5 遞迴函數 • 6-5-1 遞迴的基礎 • 6-5-2 遞迴的階層函數 • 6-5-3 河內塔問題

6-5-1 遞迴的基礎 • 遞迴的觀念主要是在建立遞迴函數，其基本定義，如下所示：一個問題的內涵是由本身所定義的話，稱之為遞迴。 • 遞迴函數是由上而下分析方法的一種特殊的情況，因為子問題本身和原來問題擁有相同的特性，只是範圍改變，範圍逐漸縮小到一個終止條件。遞迴函數的特性，如下所示： • 遞迴函數在每次呼叫時，都可以使問題範圍逐漸縮小。 • 函數需要擁有一個終止條件，以便結束遞迴函數的執行，否則遞迴函數並不會結束，而是持續的呼叫自已。

6-5-2 遞迴的階層函數-說明 • 遞迴函數最簡易的應用是數學的階層函數n!，如下所示：

6-5-2 遞迴的階層函數-過程1 • 例如：計算4!的值，從上述定義n>0，使用n!定義的第2條計算階層函數4!的值，如下所示： 4!=4*3*2*1=24 • 因為階層函數本身擁有遞迴特性。可以將4!的計算分解成子問題，如下所示： 4!=4*(4-1)!=4*3! • 現在3!的計算成為一個新的子問題，必須先計算出3!值後，才能處理上述的乘法。

6-5-2 遞迴的階層函數-過程2 • 同理將子問題3!繼續分解，如下所示： 3! = 3*(3-1)! = 3*2! 2! = 2*(2-1)! = 2*1! 1! = 1*(1-1)! = 1*0! = 1*1 = 1 • 最後在知道1!的值後，接著就可以計算出2!~4!的值，如下所示： 2! = 2*(2-1)! = 2*1! = 2 3! = 3(3-1)! = 3*2! = 3*2 = 6 4! = 4*(4-1)! = 4*3! = 24

6-5-2 遞迴的階層函數-函數 /* 函數: 計算n!的值 */ long factorial(int n) { if ( n == 1 ) /* 終止條件 */ return 1; else return n * factorial(n-1); }

6-5-3 河內塔問題-說明 • 「河內塔」（Tower of Hanoi）問題是程式語言在說明遞迴觀念時，不可錯過的實例，這是一個流傳在Brahma廟內的遊戲，廟內的僧侶相信完成這個遊戲是一件不可能的任務。河內塔問題共有三根木樁，如下圖所示：

6-5-3 河內塔問題-規則 • 共有n個盤子放置在第一根木樁，盤子的尺寸由上而下依序遞增。河內塔問題是將所有的盤子從木樁1搬移到木樁3，在搬動的過程中有三項規則，如下所示： • 每次只能移動一個盤子，而且只能從最上面的盤子搬動。 • 任何盤子可以搬到任何一根木樁。 • 必須維持盤子的大小是由上而下依序遞增。

6-5-3 河內塔問題-步驟 • 歸納出三個步驟，如下所示： • Step 1：將最上面n-1個盤子從木樁1搬移到木樁2。 • Step 2：將最後一個盤子從木樁1搬移到木樁3。 • Step 3：將木樁2的n-1個盤子搬移到木樁3。

6-5-3 河內塔問題-函數 /* 遞迴函數: 河內塔問題 */ void towerofHanoi(int dishs, int peg1, int peg2, int peg3) { if ( dishs == 1 ) /* 終止條件 */ printf("盤子從%d移到%d\n", peg1, peg3); else { /* 第二步驟 */ towerofHanoi(dishs-1, peg1, peg3, peg2); printf("盤子從%d移到%d\n", peg1, peg3); /* 第三步驟 */ towerofHanoi(dishs-1, peg2, peg1, peg3); } }

6-6 C語言的巨集 • 6-6-1 含括檔案（File Inclusion） • 6-6-2 巨集指令（Macro Substitution） • 6-6-3 條件式含括檔案或指定常數

6-6 C語言的巨集 • C語言的巨集是程式碼在編譯前透過「C的前置處理器」（The C PreProcessor）來處理，這是位在C程式檔開頭以「#」字元起頭的指令。 • 目前我們已經使用過#include和#define指令，更進一步還可以使用這些前置處理器指令建立「巨集」（Macro）。

6-6-1 引入檔案（File Inclusion） • C前置處理器的#include指令可以將其它程式檔案的內容含括到目前的程式檔案，含括的意義是將檔案內容直接複製到程式碼檔案，其指令格式如下所示： #include <檔案名稱.h> • 如果是自行定義的標頭檔案（通常是使用副檔名.h），檔案和C程式檔位在相同目錄時，可以使用引號括起檔案名稱，如下所示： #include "檔案名稱.h"

第6章函數與巨集